泰安地震台 SSQ-2数字水平摆曲线畸变分析＊

卢双苓 于庆民 钟普浴 吕春帅 林秀娜 李 峰

(1)山东省地震局泰安基准地震台,泰安 271000 2)山东省地震局,济南 250014)

泰安地震台 SSQ-2数字水平摆曲线畸变分析＊

卢双苓1)于庆民1)钟普浴2)吕春帅2)林秀娜1)李 峰1)

(1)山东省地震局泰安基准地震台,泰安 271000 2)山东省地震局,济南 250014)

对山东泰安地震台数字化水平摆 10年的观测资料中的典型畸变现象进行了分类,具体为：1)大幅度漂移,趋势性改变;2)单日固体潮畸变;3)多日固体潮畸变伴频繁掉格;4)频繁掉格,固体潮无明显畸变。NS分量畸变以趋势改变、固体潮升降变化为主,EW分量畸变以频繁掉格为主。映震能力：对震中距 2 000～5 000 km大于 7级以上的地震有反应,甚至远于 5 000 km的极远震也有为数不少的震前畸变出现。

泰安地震台;数字水平摆;形变观测资料;震前畸变;前兆异常

1 前言

大量事实和研究证明,地壳形变异常与地震有着最为直接的关系。形变观测作为地震前兆监测手段,在地震监测预报中发挥着重要的作用,尤其在地震短临预报研究中取得了许多研究成果[1-6]。地震前地壳的运动变化会导致仪器记录的固体潮曲线发生畸变,而从历年观测资料中找出这样的固体潮变化,分析判断其是否与地震相关,一直是分析预测的一项重要工作。经过多年连续观测,发现泰安基准地震台(以下简称泰安台)水平摆资料在部分地震前确实存在着典型的畸变现象。

我们对泰安台 SSQ-2数字化水平摆近 10年的观测资料进行了清理,查找资料中的异常图像,将之与地震目录一一对应,将这些畸变现象归纳总结,并找出哪些变化属于仪器本身或者环境干扰,哪些畸变与地震相关,最后对震前出现的典型畸变图像进行了分类和统计,给出了震前畸变的时空特征。

2 泰安台地质条件及水平摆资料简介

泰安台地处莱芜弧形断裂带北侧 (台址附近段落称为泰山山前断裂),台基为太古代泰山群花岗片麻岩体,台址岩体完整致密均匀,地脉动水平低,波导性良好,测量信噪比高,可靠性好。

1977年 10月 SQ-70型石英水平摆倾斜仪投入观测,放在专用观测山洞内。山洞洞室覆盖厚度超过 29 m,主洞进深76 m,入口设计成直立螺旋形,高差 33 m。为避免洞室内空气流动对仪器观测造成影响,洞室年最大温差小于 0.06℃,日最大温差小于 0.004℃,相对湿度小于 90%。

泰安台光记录水平摆自 1977年安装以来,资料稳定可靠,精度很高,曾取得全国九连冠的优异成绩(1981—1989年),荣获中国地震局科技进步一等奖和二等奖各一项。2000年,又安装了 SSQ-2数字化水平摆观测仪,至 2009年已有近 10年的数字化观测资料。数字摆观测虽没有原光记录精度高,但也完全符合观测要求,达到国家一类台标准(表 1)。

表 1 2008年水平摆γ因子均方差计算结果Tab.1 RM S of factorγof horizontal pendulum in 2008

3 泰安台数字水平摆观测干扰的识别

数字化水平摆产出的大量观测资料中不但包含有地壳应变变化信息,还包含有气象因素(如气压、降雨、温度、湿度、大风)、人为干扰、环境变化、仪器故障等干扰的影响,给地震异常识别带来了困难。经过系统分析总结认为,气压、大风、降雨是导致观测资料出现异常变化的主要因素。气压的短周期突变可导致固体潮曲线畸变,大风引起固体潮曲线出现毛刺 (图 1),降雨导致观测曲线趋势性变化等[7]。

图 1 水平摆气压和大风干扰典型图像Fig.1 Typical patterns of horizontal pendulum data by air pressure and wind disturbance

4 泰安台数字水平摆观测震前畸变统计

将泰安台数字化水平摆 2000—2009年的观测资料进行了系统梳理排查,对比产出的分钟值已处理和未处理的数据,查找出发生畸变的曲线,排除了各种干扰后,一一与山东省地震局台网中心提供的地震目录进行对照,给出了数字水平摆震前畸变统计表(表 2)。统计内容包括畸变开始时间、结束时间、畸变幅度、地震时间、地点、震级大小、震中距以及异常形态等。不在编目范围内 (国外小于 7级,省外国内小于 5级)的部分地震,由泰安台测震数字化资料查得,震中距由本台测震数字化仪器产出资料求得,所用仪器为 JCZ-1甚宽频带地震计,数采先后用过 EDAS-24,EDAS-24 IP两种型号。

截至 2007年底,共例举了 13次大地震前的典型畸变现象,每次畸变除与地震目录对照,还查实了当时的详细日志记录,排除了仪器故障及干扰因素。2005年以前的测震资料不方便查找,故早几年的地震没有提供准确的震中距。但从表 2给出的部分地震震中距仍可看出,距离在 4 000千米以远的印尼苏门答腊群岛系列地震都能记录到典型的畸变现象。

另因为掉格现象非常多,长时间范围样本太多不方便一一给出,另就2008年1月—2009年 8月近两年掉格等畸变现象进行了详细统计并给出了准确的震中距(表 3)。

5 台风与地震的关系讨论

近年来,台风与地震的关系引起了人们的普遍观注[8,9]。台风可能导致地壳脉动增强,使倾斜仪能够观测到高频异常信号,并且台风的影响与台风中心位置、台风移动速度有关。我们对 2008-01—2009-08月全球发生的台风及持续的时间进行了统计(表 4),统计结果为,此期间共生成 33次台风,与畸变在时间上吻合的仅 4次,占 13%。再将表 3中的畸变持续时间与台风持续时间进行对照,发现24次中有 20次畸变持续时没有台风,占总数的84%,因此,从统计意义上可以说,水平摆的掉格、突跳、脉动等畸变现象,与台风的关系不密切。

2008年的 22次台风中,多次进入中国大陆,蔷薇和森拉克等台风进入中国内海,森拉克台风距离南京最近时只 663千米,距离泰安直线距离不超过1 300千米。绘出森拉克台风持续时间 (2009-09 -09—20日)水平摆 EW分量分钟值曲线,再采用数字低通滤波法[10],滤去观测资料中存在的日波、半日波和三分之一日波等长周期成分,分离出观测资料中存在的高频信号如图 2。从图 2可以看出,分钟值与数字滤波之差与台风关系不密切,高频信号除几次地震外,与台风影响时信号呈纺锤状叠加在正常背景噪声上[9]的典型特征图像没有相似之处。再次说明,台风对泰安台水平摆记录没有产生明显的高频脉动的影响,泰安台水平摆所记录的畸变突跳脉动等现象与台风无关。

6 泰安台数字水平摆震前典型畸变归类

表 2 泰安台 SSQ-2水平摆 2000—2007震前畸变统计表Tab.2 Pre-earthquake distortions of SSQ-2 horizontal pendulum at Ta ian seismostation from 2001 to 2007

经过对泰安台 SSQ-2数字水平摆 10年的资料进行统计筛查,震前曲线畸变图像基本上分为 4类：1)大幅度漂移,趋势性改变;2)单日固体潮畸变,无大幅度漂移现象;3)频繁掉格伴单日固体潮畸变,连续曲线趋势性改变不明显;4)频繁掉格但固体潮无明显畸变,连续曲线无趋势性改变。3)、4)两条中同时伴有曲线加粗、突跳和脉动现象。现就一些典型震例详细叙述如下。

表 3 泰安台 SSQ-2水平摆 2008-01—2009-08月震前畸变统计表Tab.3 Pre-earthquake distortions of SSQ-2 horizontal pendulum at Ta i an seismostation from Jan.2008 to Aug.2009

表 4 2008-01—2009-08月台风统计Tab.4 Statistics of typhoon from Jan.2008 to Aug.2009

图 2 森拉克台风期间水平摆记录曲线Fig.2 Recording curves of the horizontal pendulum during the typhoon Sinlaku

6.1 大幅度漂移,趋势性变化

大地震前数日,曲线发生较大幅度的畸变,连续曲线趋势发生改变,表现为迅速上升或者下降,一日内日变幅度变化较平常大许多,最大变化量达 300 ×10-3″,多日连续曲线速率发生较明显的改变。对于畸变时段,根据适当的异常分析方法进行检验[10],检测结果超出置信区间则说明曲线确实存在异常现象。

1)2000年 11月 16日所罗门群岛 7.8级地震。NS分量震前 5天,自 11月 11日开始发生异常变化,11日的分钟值曲线发生畸变,破坏了固体潮的正常形态,11—14日,曲线发展方向由原来的下降改为转平,速率发生变化,震前 1天,15日 9：00—22：00时,日变固体潮曲线大幅下降,当日变幅达到59×10-3″,16日则发生了 7.7和 7.8级两次地震(图 3(a))。对分钟值连续曲线进行了异常分析,采用自适应阀值检验固体潮畸变时段超出置信区间,说明曲线畸变的确为震前异常现象。

2)2001年 1月 26日 11时 16分印度 7.8级地震前 7天,NS分量自 19日曲线趋势发生变化,由向下转为向上,并且迅速上升,23日达到峰值,畸变幅度达到 150×10-3″,23日后曲线达到高值后下降,下降过程中 (26日)发生印度 7.8级地震 (图 3 (b))。

3)2001年 2月 14日印度尼西亚 7.4级地震震前 3天,NS分量曲线发生畸变,曲线由原先的缓慢下降变为大幅上升,幅度变化达 105×10-3″(图 3 (c))。

4)2001年 2月 24日印尼 7.1级地震、四川雅江 6.0级地震,震前 13天,EW分量曲线畸变,2月11日至 2月 20日,曲线大幅度漂移,单日无固体潮日变形态,畸变幅度超过 300 ms(图 3(d))。

6.2 单日固体潮畸变

此种情况表现在震前 2～5天,一般是单日的固体潮发生畸变,看不出正常日变形态,但没有大幅度的漂移升降现象,畸变持续时间不长,不发生趋势性改变。

图 3 大地震前曲线大幅度漂移、趋势改变图像Fig.3 W ide shiftamp;trend change of pre-earthquake data

如 2002年 3月 6日菲律宾 6.8级地震前,NS分量 3月 4日至 5日固体潮曲线畸变,看不出正常日变固体潮形态 (图 4(a))。2009年 3月 15和 17日,NS分量两天的固体潮畸变都比较明显,3月 20日汤加发生 7.9级地震(图 4(b))。

图4 地震前单日固体潮畸变图像Fig.4 Single-day earth tide distortion of pre-earthquake data

由于此种畸变发生时间短,形式单一,有时畸变发生时正处在小潮,小潮时期的固体潮本身就有些不明显,两者常常混在一起,难以分清,因此,此种形式的畸变一般不容易断定,如 2008年 1月 30日印尼苏门答腊 5.7级、2009年 2月 1日 9克马德克群岛 7.3级,震前NS分量都出现了加粗现象,但当时正处在小潮期,因此除非有其他测项或其他畸变形式出现,否则不能轻易认定为异常。

6.3 多日固体潮畸变伴频繁掉格

连续多日固体潮发生形态改变,并伴随频繁掉格。与第 1)条不同的是,此种畸变的连续曲线趋势性改变不明显;与第 2)条虽均为固体潮形态改变,但不同的是震前十几天即出现了固体潮的畸变,持续时间较长,因此比较容易判定。同时伴随着成片更小的脉冲和突跳,类似于脉动,小的脉冲突跳 (2～6)×10-3″。

1)2004年 12月 26日印尼 8.7级地震,EW分量震前十几天日固体潮曲线都发生畸变,并出现频繁掉格。但连续曲线长期趋势性没有发生改变,速率没有发生变化(图 5(a))。

但是,在 2004年 12月 26日印尼地震以前,还分别发生过 12月 15日的加勒比海 7.1级和 12月23日的麦阔里岛以北的 7.8级,地震的连续发生,导致无法区分一些畸变是震前异常,还是震后形变场的恢复,或者是异常的持续发展。两次地震的当天同时也伴有固体潮畸变(图 5(c)和(d))。

2)2005年 2月 19日 4时 8分,台湾以东海中发生 5.6级,8时 4分印尼苏门答腊发生 6.5级地震,这两次地震发生前 3天,水平摆 EW分量出现固体潮畸变、掉格、突跳等各种现象,如图 5(b)。

但因为此种形式的畸变现象非常多,不再一一例举。

图5 大地震前多日固体潮畸变掉格图像Fig.5 Multi-day earth tide distortion accompanied with frequent zero-drift of pre-earthquake data

6.4 频繁掉格伴突跳脉动现象,连续曲线无趋势性改变

在一些地震发生前,EW分量曲线会发生频繁掉格现象,掉格幅度一般为 20×10-3″,一般在震前7天发生,持续到震前 1～3天,连续曲线速率没有明显改变,如果将这些小的掉格做台阶校正后,曲线固体潮比较完整,日变形态没有被破坏。同时伴随着成片更小的脉冲和突跳 (类似于曲线脉动),小的脉冲突跳幅度达(2～6)×10-3″。

1)震前掉格。2006年 9月 16—21日,EW分量出现连续频繁掉格,23日印尼苏门答腊发生 5.8级地震(图 6(a));9月 28—30日,EW分量连续频繁掉格,10月 1日 1时 56分和 17时 6分千岛群岛发生 6.3和 6.5级两次地震 (图 6(b));2008年 4月1—9日频繁掉格,9日发生印尼苏门答腊 6.9级和洛亚尔提群岛 7.3级地震(图 6(c))。

2)震后掉格。6月 15日美国加利福尼亚北部远海 7.1级地震,震前未见明显畸变,但震后 15-19日,4天出现连续频繁掉格 (图 6(d))。这些掉格应为震后形变场的恢复效应,同样情况还有 2009年 2月 19日克马德克群岛 7.3地震,2009年 3月20日 2时 17分汤加 7.9级等地震,震前没有反应,只是在震后几天内有明显掉格现象。

3)值得一提的是,NS分量掉格的频率很小,但也统计到两次震前掉格：一次为 2008年 9月 25日西藏日喀则 6.0级震前 7～6天,另一次为 2009年 8月 9日日本本洲以南 7.2级地震前一天发生两次掉格。幅度均为为 5×10-3″(图 6(e))。

相同的掉格现象还有许多震例(表 3)。

7 分析与讨论

泰安台数字化水平摆自 2000年安装至现在,通过对 10年记录的分析,发现一些畸变现象的确与地震存在某些关系,有些是震前畸变,有些为震后恢复。还有一些畸变与地震无关,属于各种干扰现象,包括仪器故障、元件老化、环境变化、抽湿、加吸潮剂、气压、降雨、大风干扰等,都会引起曲线一定程度的畸变[7]。

表 3详细统计了 2008年 01月—2009年 8月的水平摆记录资料,共统计到在震前发生连续频繁掉格的地震 21次(但因为一天内发生多次地震时,不能确定为哪次地震前兆信息,故一天内发生 2次以上地震只计 1次且以较大震级为准),有效地震次数为 18次,均为 6级以上地震。)

表 3中 7级以上地震 10次,占总数的 (7级以上地震 27次)37%。而这 10次 7级以上地震中,属EW分量震前掉格 (包括突跳及脉动)8次 (80%),震后掉格 2次 (占 20%)。6～7级有效地震 8次(一日内双震按 1次且以较大地震统计),占总数(全球 6～7地震总数 35次)的 22%;NS分量畸变现象不多,共有 3次,其中 2次掉格,1次为固体潮畸变(2天);23次统计样本中有掉格现象却前后几天内无震的次数只有 1次。

从利用基于 GIS的地震分析预报系统绘制的,地震震中分布图(图 7)可看出：震前存在异常的地震主要分布在环太平洋地震带;水平摆 EW分量震前异常敏感地区集中在日本群岛及印尼苏门答腊群岛、震级为 6.0～7.3级,对震中距在 2 500～5 000 km范围内的地震有反应;震中距远达 5 000千米以上的多为 7级以上大震,主要集中在南太平洋地区(澳大利亚以东地区);更有震中距达 9 412 km的斐济以南地区 7.7级、14 208 km的加勒比海 7.0级、9 435 km加利福尼亚湾 7.1地震等,都有数天至十多天的频繁掉格等现象发生。统计结果与文献[11]的结论一致,远远超出了文献[1]中提到的台站对Ms≧ 7.9地震的有效监测距离为 2 000 km的范围结论。

图 7 2008—2009年典型震前畸变地震震中分布图Fig.7 Epicenter distribution of earthquakes accompanied with typical pre-earthquake distortion in 2008-2009

经过对泰安台 SSQ-2数字水平摆 10年记录资料的统计分析,可以得出如下结论：

泰安台数字化水平摆记录确实存在着震前畸变现象,曲线畸变图像基本上分为 4类：

1)大幅度漂移、连续曲线趋势性改变,发生在震前几天至十几天,变幅由几十到几百 ×10-3″。NS和EW两分量均有发生。

2)单日固体潮畸变,一般发生在震前 2～3天,无大幅度漂移现象。NS和 EW两分量均有少量发生。

3)频繁掉格,固体潮有畸变,连续曲线趋势性改变不明显。一般在震前十几天出现。

4)频繁掉格,固体潮无明显畸变,连续曲线无趋势性改变。一般出现震前 7～3天。

3)、4)两条频繁掉格会同时伴随脉冲突跳和脉动现象,掉格幅度为 20×10-3″,突跳或者脉冲幅度为 5×10-3″左右,脉动为 (2～5)×10-3″。多发生在EW分量上,占畸变的绝大多数。

映震能力：对震中距2 000～5 000 km大于 6级以上的地震有反应,甚至远于 8 000 km的极远震也有为数不少的震前畸变;NS分量畸变以趋势性改变固体潮升降变化为主,EW分量畸变以频繁掉格为主。但究竟同一台仪器在不同分量上对畸变的捕捉能力存在着较大的差异,其原因不详,是否与台址所处的构造带有关系,需要在今后研究中进一步探讨。

当然,以上的统计分析,因只限于泰安台水平摆观测资料,很难就此断定畸变属于地震前兆异常,如果有相当范围内的台网资料,全面进行总结对比,将会更有说服力。

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ANALYSIS OF DATA VARIAT ION OF SSQ-2 D IGITAL HORIZONTAL PENDULUM AT TA IAN STATION

Lu Shuangling1),Yu Qingmin1),Zhong Puyu2),LüChunshuai2),Lin Xiuna1)and Li Feng1)

The observationsof digital horizontalpendulum of Taian seis mostation for10 yearswas systematically summarized.After excluding disturbance the typical variation of recorded data is classified and analysed.Basically,there are four typesof variation as follows：1)wide shift,trend change;2)earth tide distortion of single day; 3)multi-day earth tide distortion accompanied with frequent zero-drift;4)frequent zero-driftwithout obvious variation of earth tide.Trend change and earth tide alteration dominate the NS component distortion while frequent zerodrift reigns the EW component.The relation between distortion and earthquakes is that：The pre-earthquake distortions appear as earthquakes ofmagnitude lager than 7.0 with epicenter distance 2 000-5 000 km.The pre-earthquake distortions accompany with some earthquakes father than 5 000 km.

Taian seismostation;digital horizontal pendulum tiltmeter;deformation data;pre-earthquake distortion;precursory anomaly

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0053-09

2010-03-25

山东省地震局青年合同制项目(SDQ0815)

卢双苓,女,1973年生,工程师,主要从事形变观测与地震预报工作.E-mail：liuru-si@tom.com

P315.72+5

A

(1)Taian Fiducial Seism ostation of Earthquake Adm inistration of Shandong Province,Taian 271000 2)Earthquake Adm inistration of Shandong Province,Jinan 250014)